短程光纤通信用红光面射型雷射的设计与分析 - 郭艳光 - 国立彰化师范 .PPT

國立彰化師範大學藍光實驗室 陳秀芬 九十二學年度第二學期Study Meeting報告 報告者：陳秀芬 指導教授：郭艷光 老師 日期：2003/3/28 目 錄 摘要 前言 光纖通信與光源 塑膠光纖及其適用光源 面射型雷射元件之設計與分析 初始結構設計 DBR材料及對數之探討 各項特性 結論 摘要 本文以磷化鋁鎵銦做為DBR材料，使用PICS3D模擬軟體來設計短程光纖通信用之磷化鋁鎵銦面射型雷射，其發光波長為650 nm。為了降低雷射的臨界電流，本研究採用current spreading結構，經模擬分析所得到的臨界電流為1.62 mA。 此外，本文亦探討此一雷射結構的光學性質，如DBR的特性、共振腔能帶結構、受激放射速率、及主要對次要模式壓制比等。 前言(1)---光纖通信與光源 光纖通信(optical fiber communication)因為網路通訊的發達已日趨重要，而光纖通信所需要的光源也是極重要的一環。 光纖通信所需的光源性質與其他應用稍有不同，這種光源需在狹窄的波帶(band of wavelength)裡有極高的發光亮度，其放射截面積不能大於光纖中心的直徑，且要能配合光纖的數值孔徑(numerical aperture，簡稱NA)，除此之外，光源必須很容易在高頻率時能夠做調制(modulation)。 前言(2)---光源種類與比較 目前被應用在光纖通信上的光源有側射型發光二極體(edge-emitting light emitting diode，ELED)、面射型發光二極體（surface-emitting light emitting diode，SLED）、側射型半導體雷射（edge-emitting laser，EEL）以及面射型半導體雷射(vertical-cavity surface-emitting laser，VCSEL)等數種。 發光二極體的光輸出屬於自發輻射(spontaneous emission)，其頻寬約在100~150 nm左右，發出的光極為分歧，且在低溫操作時輸出功率約只有0.1~3 mW，所以傳輸速率較差。相較之下，雷射光源可以得到較高的光輸出(輸出功率約為3~100 mW)，以及狹窄的發光頻寬(10 nm)，因此傳輸速率比發光二極體快許多。 前言(3)---面射型雷射的優勢 前言(4)---塑膠光纖及其適用光源 前言(4)---PMMA-d8與650 nmVCSEL 塑膠光纖PMMA與PMMA-d8的吸收頻譜圖 面射型雷射元件之設計與分析 大部份的磷化鋁鎵銦(AlxGayInzP，x+y+z=1)半導體元件，當選擇GaAs做為基板(substrate)的時候，In原子的比例通常會定在0.5左右(z?0.5)，以便使得磷化鋁鎵銦的磊晶薄膜可以和GaAs基板擁有相同的晶格常數(lattice constant)。 =在這種情形之下磊晶薄膜不會感受到應力(strain)，半導體元件因此較不容易產生晶體缺陷。 但在文獻中指出，若發光波長在650~660 nm之間，有些微的壓縮應力為佳，我們的模擬結果亦如此。因此我們將模擬的活性層材料選擇為Ga0.443In0.557P/(Al0.5Ga0.5)0.5In0.5P 。 650 nm紅光面射型半導體雷射的模擬結構圖 DBR的設計 選用Al0.5In0.5P以及(Al0.2Ga0.8)0.5In0.5P做為低折射率層與高折射率層的材料，其折射率分別為3.280和3.576，每一層的厚度均為雷射光在各半導體層內波長的四分之一(λ/4)，其值分別為49.5 nm及45.4 nm。 n-type共30對，摻雜濃度為2.0×1024 m-3，p-type共20對，摻雜濃度為2.0×1024 m-3。此時n-type DBR的反射率大約為99.10％，符合反射率必須超過99％的要求。 變化DBR對數的反射頻譜圖 不同DBR材料的反射頻譜比較圖 量子井位置與光子駐波的疊合圖 模擬元件之共振腔能帶結構圖 自發輻射速率頻譜圖 受激放射速率頻譜圖 主要模式對次要模式壓制比及雷射性能(L-I)圖 雷射光波強度對元件內部位置關係圖 結論 近年短程光纖通信上的新起之秀PMMA-d8塑膠光纖，在波長為650 nm處有一約為12 dB/km的低損失窗，因此若能成功發展出650 nm紅光面射型半導體雷射作為其光源，將使未來高速與短程光纖通信的發展如虎添翼。 在本篇研究中，我們模擬出650 nm磷化鋁鎵銦面射型半導體雷射的基本結構，並探討其各項光學性質，包括DBR材料的特性、共振腔能帶結構、自發輻射速率頻譜、受激放射速率頻譜、主要對次要模式壓制比、與雷射光波強度分佈等特性，供